脂肪族聚酯具有良好的生物降解性、生物相容性和原料可再生等優(yōu)點(diǎn),從而受到廣大研究者的青睞。其中,可生物來(lái)源的聚(β-羥基丁酸)在組織工程、藥物釋放、微電子和包裝等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。β-丁內(nèi)酯的開(kāi)環(huán)聚合為聚(β-羥基丁酸)的制備提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔、高效而直接的策略。盡管大量的研究表明金屬催化劑可以實(shí)現(xiàn)β-丁內(nèi)酯的高效轉(zhuǎn)化,但是產(chǎn)物中的金屬殘留物往往限制了聚(β-羥基丁酸)材料在生物醫(yī)用以及微電子等行業(yè)的應(yīng)用。
無(wú)金屬催化為這一難題提供了解決思路。然而,目前使用的有機(jī)催化劑局限于部分有機(jī)堿,尤其是可控的聚合控制卻鮮有報(bào)道。這主要是因?yàn)椋?strong>β-丁內(nèi)酯傾向于和催化劑之間形成穩(wěn)定的加合物,或者開(kāi)環(huán)后的中間體容易發(fā)生回咬失活,從而導(dǎo)致聚合不可控甚至難以發(fā)生。因此實(shí)現(xiàn)β-丁內(nèi)酯的可控開(kāi)環(huán)聚合具有重要的研究意義和價(jià)值。
近年,浙江大學(xué)伍廣朋研究員課題組開(kāi)發(fā)出了一類(lèi)雙功能有機(jī)硼催化劑,在二氧化碳和環(huán)氧共聚合制備脂肪族聚碳酸酯(JACS 2021,2020)、二氧化碳和環(huán)氧烷烴偶聯(lián)生成環(huán)狀碳酸酯;(ACIE,2020)、環(huán)氧烷烴和酸酐共聚制備脂肪族聚酯(ACIE, 2021)、環(huán)氧開(kāi)環(huán)制備脂肪族聚醚(ACIE, 2020)等領(lǐng)域都表現(xiàn)出了優(yōu)異的反應(yīng)活性。得益于高活性無(wú)金屬催化劑的開(kāi)發(fā),制備的聚酯、聚碳酸酯和聚醚等高分子材料在微電子化學(xué)品和材料領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用潛力。近日,他們進(jìn)一步拓展了該類(lèi)無(wú)金屬催化劑在環(huán)內(nèi)酯開(kāi)環(huán)制備聚羥基脂肪酸上的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)此類(lèi)催化劑可高效實(shí)現(xiàn)β-丁內(nèi)酯的可控開(kāi)環(huán)聚合,表現(xiàn)出良好的反應(yīng)活性和99%以上聚合物選擇性。通過(guò)對(duì)聚合產(chǎn)物進(jìn)行詳細(xì)的末端分析以及密度泛函理論計(jì)算,作者證實(shí)了單體的開(kāi)環(huán)發(fā)生在烷氧鍵處并伴隨著手性的翻轉(zhuǎn);結(jié)合對(duì)催化劑晶體結(jié)構(gòu)的研究、雙功能和雙組分催化劑的對(duì)比研究以及對(duì)反應(yīng)過(guò)程的監(jiān)測(cè),提出了該雙功能催化劑催化β-丁內(nèi)酯聚合的反應(yīng)機(jī)理,并對(duì)反應(yīng)中可能存在的副反應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析說(shuō)明。
這一工作不僅拓展了該類(lèi)催化劑的應(yīng)用范圍,而且為聚(β-羥基丁酸)的制備提供了一種可控的無(wú)金屬催化策略。
本文被選為本期內(nèi)封面論文,碩士研究生楊莉和博士研究生張瑤瑤同學(xué)為論文的第一作者,伍廣朋研究員為論文的通訊作者,該研究得到了浙江省自然科學(xué)基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。作者特別感謝大連理工大學(xué)的呂小兵教授和任偉民教授在聚合反應(yīng)機(jī)理和手性單體提供方面提供的幫助。
論文鏈接:Controlled Ring-Opening Polymerization of β?Butyrolactone Via Bifunctional Organoboron Catalysts, Macromolecules, 2021, 54, 12, 5509–5517.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.1c00250
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